CuNiSi引线框架材料的研究进展

CuNiSi引线框架材料的研究进展

万珍珍

【摘要】引线框架材料是集成电路封装和半导体元器件的主要材料,起到支撑和固定芯片、传输电信号和散热的作用.CuNiSi合金材料具有高的强度、较高的导电率,而且价格低廉,近年来作为引线框架材料得到了很大的发展.简单介绍了国内外铜合金引线框架材料的发展状况,综述了CuNiSi引线框架材料的研究现状,并对其发展前景进行了展望.

【期刊名称】《江西科学》

【年(卷),期】2011(029)003

【总页数】4页(P363-365,378)

【关键词】CuNiSi铜合金；引线框架材料

【作者】万珍珍

【作者单位】江西省科学院应用物理研究所，江西南昌330029

【正文语种】中文

【中图分类】TG146.1

0 引言

引线框架材料是集成电路封装和半导体元器件的主要材料，起到支撑和固定芯片、传输电信号和散热的作用。随着集成电路向大规模和超大规模的迅速推进，以及半导体器件不断向高集成、高密度方向的发展，对引线框架材料的强度及导电导热等

性能要求越来越高。铜合金具有高导电、高导热、价格低廉等特点，正逐渐替代可伐合金和FeNi42合金，成为制造引线框架的主导材料。目前开发的铜合金引线框架材料已达100多种，用量占引线框架材料的80%以上［1］。

1 国内外铜合金引线框架材料的发展

自20世纪60年代世界上第1块集成电路问世以来，半导体集成电路引线框架材

料得到很大发展，其用量越来越大，新材料不断出现。早期的引线框架材料多采用可伐合金和FeNi42合金制造，但随着铜合金材料的不断优化和改进，铜合金成为制造引线框架的主要材料。

铜合金引线框架材料的发展可分为3个阶段［2，3］：第1阶段是从20世纪70

年代铜合金引线框架材料发展的初期，主要以导电率大于80%IACS、强度在400 MPa左右的高导电型合金为主，如Cu-P系列的C1220，Cu-Fe系列的KFC等;

第2阶段是从20世纪80年代起，主要是导电率为60% ～79%IACS、抗拉强度

为450～600 MPa的中导中强型合金，如Cu-Fe-P系列的C19400等;第3阶段

是随着集成电路向大规模和超大规模发展，集成度的增加和线距的减小，要求引线框架材料导电率在50%IACS左右、抗拉强度大于600 MPa，此类铜合金材料多

为固溶强化型合金，如Cu-Ni-Si系列的KLF以及C7025等。目前铜合金引线框

架材料的发展目标是强度大于650 MPa、导电率大于80%IACS的高强高导合金。目前已开发出的铜合金引线框架材料主要有CuFe系、CuFeP 系、CuCrZr系、CuNiSi系、CuAg系等，使用较多的主要有 CuFeP、CuNiSi及 CuCrZr系等。自1971年以来国外用作引线框架的铜合金已达100多种，如日本三菱伸铜的TAMAC系列、神户制钢的KLF系列、古河电气的EFTEC系列等，其框架材料生

产均已高度自动化、大规模化，产品已名副其实成为高技术产品。铜合金引线框架材料的主要生产国为日本、德国、美国和英国，其中以日本产量最高，日本和德国是世界上最大引线框架铜带出口国。

我国引线框架铜带材料研究、试制、生产起步比较晚，始于“八五”末期，和国外相比还存在很大的差距［4～6］。首先，品种较少，只有3种牌号的CuFeP系合金(其中以KFC、C194为主)，而且一直在仿制国外的合金系列，没有形成自己具

有优势的专利体系;其次，质量不高，国内材料绝大部分用于冲制低端集成电路引

线框架，中高端引线框架所需的铜合金带材大多数来自于进口;再次，产业化规模小，目前我国能够生产铜合金引线框架的企业主要有中铝洛铜、宁波兴业、上海科泰等，但引线框架铜带总产量与国内的需求量还相差很远，国内市场的缺口较大，如1998年国内引线框架铜带产量为300 t，仅占当年需求量的10%;2000年国内引线框架铜带产量为500 t，占当年需求量的8% ～10%;2005年国内铜带产量占当年需求量的40%。

2 CuNiSi引线框架材料的研究现状

CuNiSi系列合金是一种时效强化型合金，具有高的强度、较高的电导率、焊接性

好和易熔炼等特性而引起了人们的极大关注。近年来，作为一种性能优异的大规模集成电路引线框架材料得到了很大的发展。

从1927年M G Corson首次发现CuNiSi合金的时效强化特性以来，关于该类合金中析出物结构研究的报道很多［7～9］。有研究报道称析出物结构类似γ-Ni5

Si2，也有人认为其结构类似β-Ni3 Si，近年来很多研究者则认为其具有与δ-

Ni2Si相似的正交晶格，且与铜基存在一定的位相关系，但没有最终的定论，还需进一步研究。

近年来国内外的研究人员通过尝试在CuNiSi系列合金中添加不同的微量合金元素，如P、Fe、Mg、Al等，使强度和导电率达到了良好的匹配。日本WChihiro［10］等在 Cu-4．0Ni-0．95Si合金中添加0．05%的P，P的加入抑制时效过程中

Ni2 Si颗粒的长大，能有效的提高合金的强度、硬度。Ryoiehi Monzen［11］等在 Cu-2．0Ni-0．5Si合金中添加0．1%Mg在400℃下时效，发现Mg能强烈

阻止应力释放，提高屈服强度约40 MPa，降低导电率约3%IACS;添加Mg析出相 Ni2Si尺寸由4．4 nm降至4．0 nm，粒子间距由22 nm降至20 nm;添加Mg可以加快盘状沉淀Ni2Si的析出速度;Mg原子可以拖住位错，对位错运动有牵制效应。潘志勇、汪明朴［12］等研究了 Cu-5．2Ni-1．2Si合金以及在此合金中添加1．5%Al，对该合金热轧和冷轧后的组织观察后发现，添加Al元素对该合金热轧时的动态再结晶过程具有明显的抑制作用，同时Al显著提高了在铜基体中的固溶度，该合金的硬度达317 HV，导电率达44．5%IACS。因此，多元微合金化CuNiSi合金将是引线框架材料的发展方向。

CuNiSi合金的热处理工艺对其性能影响很大，通过选择不同热处理工艺，可以制备出不同性能的材料以适应不同需求。赵冬梅［7］研究的Cu-3．2Ni合金在450～500℃时效最好，但500℃时易过时效，时效2 h硬度便开始下降。时效温度越高，硬度峰值出现时间越早，合金越容易过时效。姜伟［13］等对Cu-3．0Ni-0．52Si-0．15P 合金热处理工艺进行研究，经80%预冷变形后在500℃时效1 h，抗拉强度为850 MPa，电导率为45%IACS。可看出采用新的工艺技术和新的材料体系，研制CuNiSi系列合金引线框架材料将备受重视。

目前，许多国家都开发出了自己的CuNiSi系列引线框架合金，我国由于起步较晚还处于试验研究阶段。韩国的Young G Kim等人开发了PMC-102(Cu-1．3Ni-0．3Si-0．03P)合金［14］，在450℃时效10 h后，合金强度可达600 MPa，电导率可达60%。日本神户制钢在原来KLF-1的基础上研究开发了KLFA85合金［15］，通过在热处理和冷加工工艺上的改进，其抗拉强度为800 MPa，电导率为45%IACS，是较有前途的框架材料。

3 CuNiSi引线框架材料的发展前景

随着我国电子工业的快速发展，铜合金引线框架材料的需求量将不断增长。1998年我国框架材料铜带需求量为3 000 t;2000年需求量为5 000～6 000 t;2005年